Telecomunicazioni Bottom-Up

Fondamenti di un'architettura di rete

Accesso wireless

Martedì 27 settembre 2022 13:00 Bottom-Up Pagina 1

Mercoledì 28 settembre 2022 13:00 Bottom-Up Pagina 2

Bottom-Up Pagina 3

Contesa per le risorse nel packet switching

Giovedì 29 settembre 2022 15:00 Bottom-Up Pagina 4

Bottom-Up Pagina 5

Struttura di Internet: rete di reti

Lunedì 3 ottobre 2022 15:00 Bottom-Up Pagina 6

Bottom-Up Pagina 7

• Individuale
• Si impiega nel modo di trasferimento a circuito
• Le sorgenti vengono caratterizzate mediante il loro ritmo binario di picco F
• Si indica con C la capacità della linea e con N il numero di sorgenti multiplate
• Affinché le sorgenti possano essere multiplate sulla linea (affinché l'utente venga inserito nella trasmissione) deve essere sempre soddisfatta la relazione:
• Detta trasmissione CBR (Constant Bit Rate) → con ritmo binario costante
• Le risorse vengono pre-assegnate in modo individuale
• La linea multiplata è divisa in Intervalli Temporali (IT) organizzati in trame
• In genere ad una sorgente viene assegnato un IT ripetuto a cadenza di trama
• Posso inserire solo 30 utenti, perché gli altri 2 intervalli non sono usati per il trasferimento della voce

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• Collettiva
• Si impiega nel modo di trasferimento a pacchetto con connessione
• Le sorgenti vengono caratterizzate mediante il loro ritmo binario medio F
• Si indica con C la capacità della linea e con N il numero di sorgenti multiplate
• Affinché le sorgenti possano essere multiplate sulla linea (affinché un utente venga inserito nella trasmissione) deve essere sempre soddisfatta la relazione:
• U rappresenta il rendimento di utilizzazione massimo della linea multiplata: più U è vicino a 1 più non ci sono accodamenti che tendono all'infinito → dopo l'assegnazione della risorsa si tollera un ritardo che dipende dal valore di U
• Viene introdotto il termine U perché con questa assegnazione non si ha un bit rate costante, ma variabile. Infatti si parla di trasmissione VBR (Variable Bit Rate nel tempo) => non si andrà mai a occupare tutta la capacità C, dato che il bit rate varia nel tempo
• Ci sono due modi in cui il bit rate può variare

Architettura a strati

Mercoledì 5 ottobre 2022 13:00

Le reti di comunicazione sono sistemi complessi:

• Host
• Router
• Svariate tipologie di mezzi trasmissivi
• Applicazioni
• Protocolli
• Hardware, software di rete con il fine della comunicazione

Organizzazione di un viaggio aereo:

• Quando si ha a che fare con sistemi complessi:
  • Una struttura "esplicita" consente l'identificazione dei vari componenti di un sistema complesso e delle loro possibili interazioni
• Modello di riferimento a strati è il modello utilizzato da chi crea questi sistemi di comunicazione
• La modularizzazione facilita la manutenzione e l'aggiornamento di un sistema:
  • Modifiche implementative al servizio di uno dei livelli risultano trasparenti al resto del sistema
• Partiziona il processo di comunicazioni in parti indipendenti => ogni strato è indipendente dall'altro
• Semplifica il progetto, la realizzazione ed il test dei sistemi di telecomunicazione -> la modifica di uno strato è autonoma dal resto degli strati, ma deve essere visibile fuori dallo strato
• I protocolli:
  • Possono essere progettati separatamente ad ogni livello
  • Effettuano "chiamate" ai servizi offerti dallo strato inferiore
  • Possono essere modificati senza cambiare i protocolli di altri strati sottostanti
• Architetture monolitiche sono costose, scarsamente flessibili e sono soggette a rapida obsolescenza
• Architettura di rete formata da due componenti:
  • Insieme degli strati o servizi
  • Protocolli di ogni strato

Dagli anni ’70 ogni produttore ha sviluppato la propria architettura a strati:

• Problema: computers di "vendor" diversi non possono essere interconnessi
• L'architettura OSI (Open Systems Interconnection) è stata creata per consentire l'interconnessione di sistemi "multivendor"
• Descrive un modello di riferimento a sette strati per l'architettura di una rete
• Fornisce un riferimento per lo sviluppo dei protocolli di comunicazione
• Il modello OSI definisce i concetti di strato, protocollo e servizio che hanno ancora oggi piena validità
• Sono stati definiti gli standard dei protocolli per i sette strati, ma nel tempo sono stati abbandonati
• Il modello a strati TCP/IP ha superato il modello OSI utilizzando esattamente gli stessi concetti

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• Gestisce la comunicazione attraverso un mezzo fisico che interconnette i due dispositivi
• Servizio offerto: trasferire i bit informativi attraverso i mezzi fisici (con segnali che cambiano a seconda del mezzo fisico di trasmissione)
• Definizione delle caratteristiche fisiche di un link di comunicazione:
  • Meccaniche: tipo di cavi, connettori (plug, pin, …)
  • Elettriche/ottiche: modulazione, potenza dei segnali, livelli di tensione, temporizzazione, …
  • Funzionali/procedurali: Procedure per attivare, mantenere e deattivare i link fisici
• Il protocollo dello strato 2 maneggia i bit per organizzarli in strutture dati detti trame o frame (sono insiemi di bit) -> definisce come è fatto un frame
• Servizio offerto: trasferimento affidabile delle informazioni contenute nel frame in un link trasmissivo
• Rivelazione degli errori nelle trame ed eventuale loro correzione
• Attivazione, supervisione e deattivazione delle connessioni a livello di link
• Funzioni MAC (Medium Access Control) in reti locali (LAN)
• Controllo di flusso
• Servizio offerto: Trasferire i pacchetti (aggregati di bit) attraverso una serie di link o attraverso una serie di reti -> instradare pacchetti attraverso la rete
• Gestisce l'indirizzamento di rete
• Definisce le procedure di instradamento (routing) eseguite dai nodi per la determinazione dei cammini di rete
• Definisce le procedure di rilancio (forwarding) dei pacchetti nei nodi
• Definisce le funzioni di controllo di congestione
• Definisce le procedure di setup, gestione e teardown delle connessioni di rete (modalità connection-oriented)
• Specifica funzione dello strato di rete che ha lo scopo di gestire il trasferimento dei pacchetti attraverso una serie di reti diverse
• I router rilanciano i pacchetti tra le reti dato che una connessione tra terminali è formata da sotto reti
• Servizio offerto: trasferire i dati end-to-end dal processo attivo in un host al processo residente nell'host remoto
• Garantisce l'affidabilità del trasferimento di stream di dati -> affinché non ci sia perdita di dati
• Offre un trasferimento rapido e semplice di singoli blocchi di dati
• Gestisce i "port numbers" (indirizzi interni ai sistemi terminali) attraverso il quale riconosce il terminale di destinazione
• Funzioni di segmentation and reassembly dei messaggi
• Connection setup, maintenance, and release
• Sincronizzazione e controllo del dialogo (comunicazione), recupero dei dati
• Consente alle applicazioni di interpretare il significato dei dati (es. cifratura, compressione, convenzioni specifiche della macchina)
• Fornisce i servizi richiesti dalle applicazioni
• Definisce i protocolli per far girare una determinata applicazione:
  • Es. DNS, web access, file transfer, email…

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• Applicazione: supporto alle applicazioni di rete
  • FTP, SMTP, HTTP
• Trasporto: trasferimento dei messaggi a livello di applicazione tra il modulo client e server di un'applicazione
  • TCP, UDP
• Rete: trasferimento dei pacchetti dall'origine al destinatario
  • IP, protocolli di instradamento
• Link (collegamento): trasferimento dei pacchetti all'interno di una sottorete
  • PPP, Ethernet
• Fisico: trasferimento dei singoli bit
• Lo strato n in un sistema interagisce con lo strato n in un altro sistema per fornire servizio allo strato n+1 -> gli strati inferiori comunicano per fornire un servizio allo strato superiore
• Le entità che eseguono le funzioni di uno strato all'interno di sistemi comunicanti sono dette peer processes
• La cooperazione tra entità dello stesso strato è regolata dal protocollo di strato n (layer-n protocol)
• Le entità di strato n (Layer-n peer processes) si scambiano unità dati denominate Protocol Data Unit (PDU)
• La comunicazione tra due entità è virtuale ed indiretta
• Lo strato n+1 trasferisce le proprie informazioni invocando il servizio fornito dallo strato inferiore (strato n)
• I servizi dello strato n sono disponibili all'interfaccia tra i due strati (Service Access Points o SAP) -> punto di accesso con cui lo strato n+1 chiede servizio allo strato n
• Ogni strato passa dati e informazioni di controllo allo strato inferiore fino a che è raggiunto lo strato fisico che si occupa dell'effettivo trasferimento
• I dati che sono ricevuti da uno strato da quello superiore sono denominate Service Data Unit (SDU)
• Le SDU sono incapsulate nelle PDU nelle quali sono anche aggiunte le informazioni di controllo per l'esecuzione delle funzioni di strato
• Ogni protocollo usa un'intestazione (header) e un suffisso (trailer) che contengono le informazioni di controllo necessarie per l'esecuzione delle funzioni di strato
  • Indirizzi, numeri di sequenza, flag, codici di controllo d'errore, ecc.
• Quando si richiede un passaggio di dati a livello applicativo si ha bisogno di extra-bit per contenere le informazioni di controllo
• Ogni protocollo di strato definisce la lunghezza delle informazioni di controllo per lo strato stesso => ogni strato è autonomo
• Uno strato può imporre un limite massimo alla dimensione del blocco dati che può essere trasferito
• Se le n-SDU superano questo limite non possono essere trasferite in un'unica n-PDU
• Lato ricevente: la SDU è riassemblata (Reassembly) a partire
• Lato emittente: la SDU è segmentata (Segmentation) in dalla sequenza di PDU ricevute -> se lo strato inferiore deve PDU multiple -> se strato superiore deve inviare una inviare le PDU multiple allo strato superiore che può riceverle quantità di dati superiore da quella ricevibile dallo strato in un'unica SDU inferiore

Multiplazione statica

Giovedì 6 ottobre 2022 15:00

• Multitrama: struttura organizzativa superiore alla trama costituita da M trame
• Un canale di multitrama è definito da un IT ripetuto a cadenza di multitrama
• Ogni canale di multitrama ha capacità:
  • Nel PCM Europeo basato su trame formate da 32 intervalli sappiamo che possono trasmettere 32 utenti contemporaneamente (non considerando il fatto per cui 2 intervalli non sono utilizzabili per la trasmissione)
  • Sappiamo che questi 32 utenti vogliono trasmettere alla metà della velocità e che avranno solo un bit loro dedicato per la comunicazione
  • La segnalazione associata al canale è convogliata in una struttura a multitrama con M=16
  • L'informazione di segnalazione occupa in ogni trama della multitrama l'intervallo 18
  • 8 bit dell'intervallo 18 della prima trama nella multitrama portano la parola di allineamento di multitrama
  • 4 bit dell'intervallo 18 di ogni trama vengono associati ad un singolo canale fonico
  • Se ogni utente ha 1 bit per trama e ogni trama ha 4 bit di trasmissione, allora per far trasmettere tutti e 32 gli utenti si avranno bisogno di 4 trame periodiche nella multitrama
  • Ogni singolo canale di segnalazione ha capacità di 4 bit / 125 s*16=2 Kbit/s

Interazione tra strati

Giovedì 13 ottobre 2022 15:00

• Multiplazione: Condivisione del servizio di strato n da utenti multipli
• È necessaria l'utilizzazione di etichette in ogni PDU per identificare a quale utente appartiene la SDU
• Un servizio di strato dalle entità di strato superiore con o senza un'intesa preliminare
  • Nel caso in cui l'intesa sussista si parla di servizio con connessione (connection oriented) → legame, almeno logico e in alcuni casi anche fisico, che viene stabilito tra le parti in comunicazione
  • Nel caso contrario si tratta di un servizio senza connessione (connectionless)
• Strutturazione in tre fasi temporali:
  1. Apertura connessione
  2. Utilizzo connessione
  3. Chiusura connessione
• Negoziazione dei parametri di trasferimento: vengono garantite delle risorse preliminari all'utente
• Indirizzamento con identificatori di connessione: ogni connessione aperta ha un suo identificativo
• Legame logico tra i segmenti informativi scambiati: viene garantita la sequenzialità dei dati scambiati
• Es. TCP, Telefonia
• Pro:
  • La risorsa personale non è condivisa con altri utenti
  • C'è un ritardo fisso costante => trasparenza temporale utile per i servizi real time
• Contro:
  • Bisogna garantire delle risorse preliminari

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1. Avviene il passaggio dei dati tra i vari strati nel terminale A
2. Lo strato fisico assegna un time slot ai dati
3. Questi dati arrivano al router che sa che i dati devono passare in un altro time slot (dal time slot 2 al 3 in questo caso) per arrivare al terminale B

• Una sola fase temporale: uso del servizio dello strato inferiore -> non ci sono le fasi di risposta e di conferma
• Assenza di negoziazione: non ci sono risorse preliminari garantite
• Uso di indirizzi espliciti per l'origine e la destinazione
• Indipendenza e autoconsistenza dei segmenti informativi scambiati: non c'è modo di garantire la sequenzialità dei dati scambiati -> ogni dato scambiato è autonomo e completo
• Pro:
  • Multiplazione statistica -> non vado a priori a dimensionare e risorse tra i vari utenti
  • Scalabilità: all'aumentare dei dati l'efficienza rimane invariata
• Contro:
  • Non c'è affidabilità nel trasferimento -> ci può essere perdita di dati
  • L'utente deve conquistare la risorsa sezione per sezione
• Es. IP, UDP

Si consideri uno schema di multiplazione statica a divisione di tempo con asse dei tempi suddiviso in Intervalli Temporali (IT) ed organizzazione in trama. Ciascuna trama ha una durata di 125 s ed è costituita da 24 IT, dei quali uno destinato alla sincronizzazione delle trame. Ogni IT è costituito da 8 bit suddivisi in 7 bit per l'informazione utente ed 1 bit per la segnalazione associata al canale d’utente.

Si supponga di dover multipare flussi audio a ritmo binario variabile (VBR) caratterizzati da un ritmo binario di picco R =192 kbit/s e da un ritmo binario medio R =150 kbit/s. Si chiede di calcolare:

1. La capacità complessiva del canale multiplato;
2. La capacità complessiva di ciascun sub-canale di base;
3. La capacità del canale di segnalazione associato a ciascun sub-canale di base;
4. La capacità complessiva dedicata alla sincronizzazione delle trame;
5. Il numero massimo di flussi audio VBR multiplabili sulla linea e la corrispondente efficienza media di multiplazione.

Calcoli delle capacità

1. Capacità complessiva del canale multiplato. La capacità complessiva del canale multiplato (C) è data dal rapporto tra il numero di bit totali emessi in una trama e la durata temporale della trama stessa. Si ha quindi:

2. Capacità complessiva di ciascun sub-canale di base. Un sub-canale di base è costituito da un IT ripetuto a cadenza di trama. La relativa capacità (C) è data dal rapporto tra il numero di bit in un IT e la durata temporale della trama. Si ha quindi:

3. Capacità del canale di segnalazione associato a ciascun sub-canale di base. Ciascun sub-canale di base è in grado di trasferire in ogni trama un bit per l'informazione di segnalazione. Questo bit è inserito nell'IT insieme ai sette bit utili d'utente. La capacità del canale di segnalazione associato ad ogni sub-canale di base è data da:

4. Capacità complessiva dedicata alla sincronizzazione delle trame. La sincronizzazione delle trame è ottenuta impiegando un IT per trama. Di conseguenza la capacità del canale di sincronizzazione è identica a quella di un sub-canale di base.

Numero massimo di flussi audio VBR e efficienza di multiplazione

5. Numero massimo di flussi audio VBR multiplabili sulla linea e corrispondente efficienza media di multiplazione. Ogni sub-canale di base ha una capacità netta per il trasferimento delle informazioni di utente data dal rapporto dai bit impiegabili per l'informazione di utente e la durata della trama. Questa capacità è quindi di:

Per trasferire il flusso VBR caratterizzato dal ritmo di picco di 192 kbit/s sono richiesti un numero di subcanali di base pari a:

Dato che si sta operando con uno schema di multiplazione statica e pre-assegnazione individuale delle risorse, questi quattro sub-canali di base sono dedicati interamente al trasferimento di un singolo flusso VBR. In totale quindi il numero di flussi VBR che possono essere multiplati sulla linea sono:

L'efficienza media di utilizzazione della linea multiplata è data dal rapporto tra il numero di IT occupati (5*4) e il numero complessivo di IT disponibili in una trama per l'informazione d'utente (23) moltiplicato per l'efficienza media di utilizzazione di un insieme di quattro sub-canali di base da parte di un flusso VBR. Nel caso in esame quattro sub-canali sono in grado di trasferire ad un ritmo di:

Il ritmo medio di emissione della sorgente è invece 150 kbit/s. Di conseguenza l’informazione di segnalazione...